數據中心空調節能技術分析

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0引言

數據中心的IT設備、空調系統、供電系統能耗分別占總能耗的50%、40%、10%，空調系統的能耗較高，為了降低整個數據中心的能耗，需要對空調系統進行優化設計，運用先進的空調節能技術，降低冷源能耗。

1數據中心空調節能技術的應用研究

1.1水側自然冷卻技術

在水側自然冷卻技術的支持下，對集中空調系統進行節能設計，充分利用自然冷源。該系統主要由3個部分構成：①冷水機組；②冷卻塔；③板式換熱器。對室外溫度進行監測，若溫度較低，系統可以從外部環境中吸收一部分冷源，或者全部使用自然冷源，以此來降低冷水機組的能耗。例如，冷卻水供水溫度在8℃以下時，關閉機組，完全由冷卻塔供冷；溫度在8～13.5℃時，部分冷源為室外自然冷源；溫度在13.5℃以上時，完全由冷水機組供冷，由于無法利用免費冷源，所以這種模式的能耗比前兩種模式的能耗高。設置溫度標準時，需要考慮各地區的具體情況，例如，廣東地區溫度較高，可以適當提高溫度標準，更好地利用自然環境中的免費冷源[1]。

1.2間接蒸發冷卻技術

間接蒸發冷卻技術是一種非常先進的空調節能技術，能夠對室外新風進行利用，起到熱濕交換的作用。運用該技術時，需要使用直接蒸發冷氣填料，在高壓噴頭噴射的過程中，水轉變為霧化水滴，外部環境的新風與換熱器的水膜以及霧化水滴進行接觸后，新風和回風能夠交換溫度和濕度，使用空氣—空氣換熱器，在該裝置的作用下，完成熱濕交換過程，降低數據中心IT設備的溫度[2]。間接蒸發冷卻系統主要采用了自然冷卻的冷卻方法，機械制冷起到輔助作用。若室外處于低溫的環境，可以對自然溫度進行利用，在空氣—空氣換熱器的運行中，利用建筑外部環境中的低溫空氣降低室內回風的溫度。如果室外溫度處于高溫和低溫之間，需要啟動噴淋蒸發系統，先對建筑外部的空氣進行降溫處理，當室外空氣冷卻之后，再與室內回風進行溫濕交換，達到冷卻室內回風的目的。如果室外處于高溫的狀態，要采用聯合運行的模式，既要啟動噴淋蒸發系統，也要啟動機械制冷機組，在兩者的共同作用下，完成制冷工作。該技術能夠進一步延長免費制冷的時間，更多地利用自然環境中的免費冷源，最大限度縮短設備的運行時間，降低制冷系統的能耗。節能效果受到環境濕度的影響，如果建筑處于高溫干燥的區域，間接蒸發冷卻技術能夠節能80%～90%；如果濕度適中，可以節能40%左右；如果建筑處于高溫潮濕的區域，該技術的節能效果為20%～25%。

1.3液冷技術

液冷技術的制冷媒介主要為液體，不再以冷空氣作為制冷媒介，低溫液體能夠對數據中心IT設備的發熱部件進行降溫，在散熱的過程中，將部分熱量轉移出去。根據接觸方式進行劃分，主要包括兩種液冷方式，一種是冷板式液冷，制冷液體間接接觸零部件，將液冷板安裝到IT設備的發熱部位，制冷液體流動的過程中，接觸發熱部件，把熱量帶走，起到降溫的作用。另一種是浸沒式液冷，制冷液體直接接觸零部件，將發熱部件全部浸到冷卻液內，達到散熱的目的。運用液冷技術時，需要在數據中心構建液冷系統，系統主要由3個部分組成：①冷源設備；②液冷終端；③冷量分配單元（coolingdispensingunit,CDU），CDU能夠提供充足的動力，確保制冷液體處于循環流動的狀態，在流動的過程中帶走熱量。工作人員可以操控液冷系統，調節制冷液體的流量和流速，快速排出熱量[3]。

1.4變頻技術

受數據中心工作時間、工作任務量的影響，數據中心服務器的能耗經常發生變化，但是能耗的變化具有一定的周期性。為了讓空調系統適應數據中心的變化，可以采用變頻技術。利用變頻技術對空調系統進行節能設計，需要使用變頻壓縮機，還要增加水泵等設備，通過變頻技術提高系統的制冷效率。冷水主機可以根據實際情況進行調節，提高制冷機組的運行效率，盡可能保證工況的穩定性，以免壓縮機設備頻繁開啟和關閉。當溫度與負荷發生變化時，系統會對水泵與風機進行調節，減少液體和空氣的流量。若流量減少了一半，水泵或風機的能耗也會降低，可以節約20%～30%的能源，整個空調系統的能耗可以降低70%～80%。

1.5優化氣流組織

氣流組織會對空調系統能耗產生較大影響，為了降低能耗，需要對氣流組織進行優化設計，可以采用以下兩種氣流組織形式：第一種氣流組織形式為地板下送風和封閉冷通道，如圖1所示，冷通道處于封閉狀態，熱通道敞開。在數據中心設置通風地板，冷空氣進入地面和地板之間的架空層，冷空氣會順著冷通道向上流動，在流動的過程中，降低設備和室內空間的溫度，通過頂部或者熱通道排出熱量。第二種氣流組織形式為彌漫送風和封閉熱通道（圖2），直接把冷空氣轉移到冷通道中，熱量逐漸轉移到空調上方的回風口，對熱空氣進行冷卻，轉化成冷空氣后，再流向機房內部，達到循環制冷的目的。這種組織形式延長了免費自然冷卻時間，有效降低了制冷機組的能耗。

2間接蒸發冷卻技術在數據中心應用的實例分析

2.1數據中心概況

對廣東省某數據中心的空調系統進行改造，主要運用了間接蒸發冷卻技術。在制冷系統的設計中，設置了9臺冷水機組，同時還配備了房間級空調末端，高壓離心式冷水機組的制冷量為6300kW。一期工程建設完成后，有3臺機組投入使用，機房投入使用后，第一年的平均數據中心能源使用效率（powerusageeffectiveness,PUE）是1.4，在改造設計中，需要保證年平均PUE小于1.3。

2.2改造方案

在數據中心空調制冷系統中，能耗最高的是冷水主機。要想降低能耗，需要對冷水主機進行優化設計，可以在制冷的過程中利用室外環境中的自然冷源，縮短制冷設備的運行時間，減少制冷設備的能耗。建筑樓頂平臺空間較大，滿足間接蒸發冷卻技術的應用條件，因此在制冷系統中增加間接蒸發冷卻冷水機組，機組運行原理如圖3所示，機組中最關鍵的設備是立管式間接蒸發冷卻器。在改造方案的設計中，增加了10臺蒸發冷水機組，其中有1臺為備用機組，單臺機組的制冷量為400kW，將新機組連接到原本的冷卻水系統中，如圖4所示。在新的制冷系統中，設置了新的供回水管，新管與舊管相互貫通，10臺機組和供回水管采用了并聯的連接方式。在原本的群控系統上安裝了新的控制系統，電動閥可以控制機組的狀態，系統還具有監測功能，根據監測情況進行調整。改造方案對原系統架構的影響較小，不必拆除原系統的冷卻塔，將其作為制冷系統的備用設施。間接蒸發冷卻冷水機組采用了模塊化的設計方式，因此可以提前到工廠進行預制，將各個組件運輸到現場，直接拼裝，大大縮短了施工工期[4]。

2.3運行方案

完全自然冷卻模式：利用室外濕球監測溫度，若溫度低于14℃，空調制冷系統會變成完全自然冷卻模式，使機械制冷機組停止運行，同時還要關閉一個冷卻塔，啟動新設置的間接蒸發冷卻冷水機組，在該設備和板式換熱器的共同作用下，為空調制冷系統提供冷水，冷水的溫度為13℃或18℃。在完全自然冷卻模式中，機械制冷機組不再運行，節省了大量能耗。原本的濕球溫度標準為8℃，只有溫度低于8℃，蒸發冷水機組才會開始運行，能耗較高。考慮到廣東省溫度較高，調整溫度標準，改造之后，將溫度指標設置為14℃，只要溫度低于該數值，就會啟動蒸發冷水機組，延長了機組的運行時間，表現出較好的節能效果。機械制冷模式：該模式的溫度標準為18℃，如果室外環境中的濕球超過18℃，空調制冷系統就會進入機械制冷模式，改變系統的相關參數。在機械制冷模式下，蒸發冷水機組能夠與冷卻塔起到同樣的作用，而且比原本的冷卻塔更加高效。在蒸發冷水機組的運行中，能夠對冷卻水的溫度進行控制，使其低于濕球溫度，將冷卻水運輸到機械制冷機組中，能夠吸收更多的熱量，具有更好的散熱效果，同時還能降低冷凝溫度，使機械制冷機組更加節能[5]。兩種模式相融合的復合模式：主要應用于季節過渡的時期，若濕球溫度在14～18℃時，空調的制冷系統就會自動轉換到復合模式。在該模式的狀態下，啟動機械制冷機組的主機，蒸發冷水機組運行時，初步降低冷水溫度，將冷水運輸到蒸發器后，進一步降低冷水的溫度，當冷水溫度降到13℃以下時，開始供冷，冷水吸收熱量后，水溫變高，溫度較高的水將會流向蒸發冷水機組，重新進行降溫。在該模式的應用中，蒸發冷水機組承擔了一部分降溫工作，降低了整個制冷系統的能耗。

2.4節能效果

完全自然冷卻模式下，蒸發冷水機組的平均運行功率為20kW，運行時間5638h，全年總用電量為101.5萬kW·h；在機械制冷模式下，機械制冷主機的平均功率為440kW，蒸發冷水機組的平均運行功率為16kW，運行時間為1332h，系統的全年總用電量為104.6萬kW·h；在復合模式下，機械制冷主機的平均運行功率為380kW，蒸發冷水機組的平均運行功率為25kW，運行時間為1790h，全年總用電量為80.9萬kW·h。3種模式的總耗電量為287萬kW·h，改造之前的總耗電量為610萬kW·h，節省了電量323萬kW·h，節省了電費240萬元，節能效果非常明顯，提高了數據中心的經濟效益。

3結語

在空調系統的節能設計中，需要對先進的節能技術進行研究和運用，對室外環境的免費冷源進行利用，通過自然免費冷源降低室內溫度，降低空調系統的總能耗和運行成本，使數據中心空調系統滿足節能降耗的要求，實現綠色發展、低碳發展和可持續發展的目標。

參考文獻

[1]朱慧賓，龔雪.數據中心空調系統節能優化控制系統的硬件要求[J].暖通空調，2022，52（增刊1）：387-389.

[2]李文雙，謝擁華，李凱.中小型數據中心空調系統節能改造探究與設計[J].科技視界，2021（30）：129-130.

[3]程小靜，劉彬.簡析數據中心空調系統節能技術的應用[J].建筑熱能通風空調，2021，40（7）：52-55.

[4]吳斌.數據中心空調節能技術應用與能源管理平臺設計[J].現代建筑電氣，2016，7（6）：9-14.

[5]段軼伊，姜俊海，李瑞雅，等.數據中心空調節能技術的應用實例[J].制冷與空調，2014，14（9）：18-21..

作者:袁洪 單位:廣東省電信規劃設計院有限公司